Inconel 718: Sổ tay kỹ thuật đầy đủ về thành phần hóa học và tính chất vật lý

Giới thiệu: Một siêu hợp kim quan trọng

Inconel 718 là vật liệu hàng đầu trong thế giới kim loại hiệu suất cao. Nó thuộc họ siêu hợp kim niken-crom và có tên là UNS N07718 và hợp kim niken 718.

Hợp kim này được chế tạo cho những môi trường khắc nghiệt nhất. Nó nổi bật vì vẫn bền ở nhiệt độ cao, chống ăn mòn và có thể hàn tốt hơn nhiều so với các vật liệu khác có độ bền tương tự.

Những phẩm chất này làm cho nó trở nên thiết yếu trong các ngành công nghiệp quan trọng. Hợp kim xuất hiện trong các bộ phận hàng không vũ trụ, động cơ tua bin khí, lò phản ứng hạt nhân và thiết bị dầu khí, nơi mà sự cố đơn giản là không thể xảy ra.

Sổ tay này cung cấp cho bạn thông tin kỹ thuật đầy đủ. Chúng ta sẽ xem xét thành phần hóa học chính xác của nó, các đặc tính vật liệu có được từ hỗn hợp này và ý nghĩa của nó đối với các kỹ sư, nhà thiết kế và nhà sản xuất phụ thuộc vào siêu hợp kim đáng chú ý này.

Bản thiết kế của sức mạnh

Hiệu suất tuyệt vời của Inconel 718 không phải là ngẫu nhiên. Sức mạnh của nó đến từ thành phần hóa học được cân bằng cẩn thận, trong đó mỗi nguyên tố đều có một chức năng quan trọng.

Cách thức hoạt động của lớp nền niken-sắt-crom cùng các thành phần gia cường quan trọng biến hợp kim này từ đơn giản thành siêu hợp kim thực sự.

Phân tích thành phần (AMS 5662/5663)

Thành phần của Inconel 718 tuân theo các quy tắc nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn như AMS 5662 và AMS 5663. Điều này đảm bảo hiệu suất luôn giống nhau.

Yếu tố	Biểu tượng	Tỷ lệ phần trăm trọng lượng (%)
Niken	Ni	50,0 - 55,0
Crom	Cr	17.0 - 21.0
Niobi (+ Tantali)	Nb (+ Ta)	4,75 - 5,50
Molipden	Tôi	2,80 - 3,30
Sắt	Fe	Sự cân bằng
Titan	Tí	0,65 - 1,15
Nhôm	Al	0,20 - 0,80
Coban	Đồng	1.0 tối đa
Cacbon	C	0,08 tối đa
mangan	Mn	0,35 tối đa
Silic	Si	0,35 tối đa
Phốt pho	P	0,015 tối đa
Lưu huỳnh	S	0,015 tối đa
Bo	B	0,006 tối đa
Đồng	Cu	0,30 tối đa

Vai trò của các yếu tố chính

Mỗi thành phần trong hợp chất Inconel 718 đều có mục đích sử dụng cụ thể.

Niken tạo thành xương sống của hợp kim. Nó tạo ra một ma trận ổn định, linh hoạt, bền ở nhiệt độ cao và chống lại nhiều loại ăn mòn.

Crom bảo vệ hợp kim khỏi môi trường khắc nghiệt. Nguyên tố này tạo thành một lớp oxit mỏng trên bề mặt giúp bảo vệ kim loại khỏi quá trình oxy hóa và ăn mòn khi mọi thứ nóng lên.

Niobi là nguyên tố tăng cường quan trọng nhất trong Inconel 718. Khi được xử lý nhiệt, nó kết hợp với niken để tạo thành các hạt nhỏ giúp hợp kim có độ bền đáng kinh ngạc.

Molypden làm cho cấu trúc cơ bản mạnh hơn. Nó cũng giúp hợp kim chống lại sự ăn mòn rỗ và khe hở, đặc biệt là trong môi trường có nhiều clorua.

Sắt tạo nên phần còn lại của hỗn hợp. Nó kết hợp với niken và crom để tạo thành cấu trúc cơ bản và giúp giảm chi phí mà không làm giảm hiệu suất.

Cơ chế tăng cường

Độ bền cao của Inconel 718 đến từ một quá trình gọi là làm cứng kết tủa. Đây là nơi mà tính chất luyện kim đặc biệt của nó thực sự tỏa sáng.

Trong một chu trình xử lý nhiệt cụ thể, các hạt nhỏ hình thành khắp hợp kim. Chúng hoạt động như các rào cản siêu nhỏ ngăn kim loại biến dạng.

Pha gia cường chính là gamma double prime với công thức Ni₃Nb. Pha này phù hợp hoàn hảo với cấu trúc kim loại và là yếu tố tạo nên độ bền cao của hợp kim lên đến khoảng 650°C (1200°F).

Một pha tăng cường thứ hai, gamma prime, cũng hình thành. Mặc dù không mạnh bằng gamma double prime, nhưng nó giúp duy trì độ bền ở nhiệt độ cao hơn.

Sự kết hợp của các pha này được kiểm soát cẩn thận bằng quy trình xử lý nhiệt. Đây là lý do tại sao các nghiên cứu gần đây về cấu trúc vi mô của nó lại quan trọng đến vậy để có được hiệu suất tốt nhất từ ​​các bộ phận được chế tạo bằng hợp kim này.

Biên dịch thành phần thành hiệu suất

Bản thiết kế hóa học của hợp kim tạo ra trực tiếp một bộ tính chất inconel 718 đẳng cấp thế giới. Các kỹ sư sử dụng những đặc điểm có thể đo lường này khi thiết kế, phân tích và lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng quan trọng.

Bảng này hiển thị các tính chất điển hình của Inconel 718 đã qua xử lý nhiệt.

Tài sản	Giá trị số liệu	Giá trị Đế quốc
Tỉ trọng	8,19 g/cm³	0,296 lb/in³
Phạm vi nóng chảy	1260 - 1336 °C	2300 - 2437 °F
Độ bền kéo (Tối thiểu)	1275MPa	185 kilômét
Độ bền kéo (Độ lệch 0,2%, Tối thiểu)	1034MPa	150 kilômét
Độ giãn dài (Tối thiểu)	12%	12%
Độ cứng (Điển hình)	~36 HRC / ~331 HBW	~36 HRC / ~331 HBW
Độ dẫn nhiệt (ở 100°C)	11,4 W/m·K	6,58 BTU·in/giờ·ft²·°F
Hệ số giãn nở nhiệt (20-100°C)	13,0 µm/m·°C	7,2 µin/in·°F

Tính chất cơ học

Tính năng nổi bật của Inconel 718 là độ bền cơ học, duy trì ở mức cao trong phạm vi nhiệt độ rộng.

Độ bền kéo và độ bền chảy cực kỳ cao đối với hợp kim niken. Độ bền chảy inconel 718 ấn tượng, thường trên 1034 MPa (150 ksi), đến trực tiếp từ các hạt gamma đôi nguyên tố nhỏ đó.

Độ cứng inconel 718 điển hình là khoảng 36 HRC sau khi xử lý nhiệt hoàn toàn. Độ cứng cao này mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời nhưng làm cho hợp kim khó gia công.

Khả năng chống biến dạng và hỏng do mỏi của nó rất đáng chú ý. Các hạt ổn định có hiệu quả khóa chặt cấu trúc kim loại tại chỗ, khiến nó đáng tin cậy để quay các bộ phận trong tua-bin phải chịu ứng suất cao ở nhiệt độ lên tới 650°C (1200°F).

Tính chất nhiệt

Đặc tính nhiệt của Inconel 718 có ý nghĩa rất lớn đối với cả thiết kế và sản xuất.

Độ dẫn nhiệt của inconel 718 khá thấp. Điều này có hai mặt. Mặc dù tốt cho việc chứa nhiệt trong những thứ như lò đốt, nhưng điều đó có nghĩa là nhiệt từ quá trình gia công không lan truyền nhanh, dẫn đến các dụng cụ cắt rất nóng và nhanh bị mòn.

Tốc độ giãn nở nhiệt của nó có thể dự đoán được và hoạt động tốt với nhiều loại thép và hợp kim chịu nhiệt độ cao khác. Khả năng dự đoán này rất quan trọng đối với các bộ phận trong máy móc phức tạp, như động cơ phản lực, nóng lên và nguội đi rất nhiều trong quá trình sử dụng.

Chống ăn mòn

Nhờ hàm lượng niken và crom cao, Inconel 718 có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khác nhau.

Nó chống lại quá trình oxy hóa và ăn mòn trong khí nóng có trong tua-bin và động cơ phản lực. Crom cung cấp khả năng bảo vệ mạnh mẽ chống lại quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao.

Hợp kim này đặc biệt được đánh giá cao vì nó không bị nứt sau khi hàn, đây là vấn đề thường gặp ở các hợp kim có độ bền cao khác. Nó cũng chịu được nứt do ăn mòn ứng suất từ ​​clorua, do đó rất phù hợp cho một số ứng dụng chế biến hóa chất và hàng hải.

Ý nghĩa thực tế

Hiểu dữ liệu là một chuyện; áp dụng kiến ​​thức đó vào cuộc sống thực tế lại là chuyện khác. Các đặc tính của Inconel 718 có tác động trực tiếp và quan trọng đến cách sản xuất và sử dụng nó.

Thách thức về khả năng gia công

Trong thế giới sản xuất thực tế, Inconel 718 nổi tiếng là khó gia công. Khó khăn này xuất phát trực tiếp từ các đặc tính mong muốn của nó.

Hợp kim vẫn bền và cứng ngay cả ở nhiệt độ cao tạo ra ở cạnh của dụng cụ cắt. Khả năng dẫn nhiệt kém của nó tập trung nhiệt tại điểm cắt và nó có xu hướng cứng hơn khi bạn gia công, tạo ra bề mặt thậm chí còn cứng hơn cho lần cắt tiếp theo.

Để gia công thành công hợp kim này, bạn cần một thiết lập vững chắc. Chúng tôi đề xuất các biện pháp thực hành tốt nhất sau:
* Sử dụng máy công cụ chắc chắn, cứng cáp để giảm độ rung.
* Làm việc ở tốc độ cắt thấp nhưng giữ tốc độ cắt cao và ổn định để vượt qua vùng cứng.
* Sử dụng nhiều chất làm mát áp suất cao để kiểm soát nhiệt và loại bỏ vụn.
* Nếu có thể, hãy gia công thô trước khi xử lý nhiệt tôi luyện lần cuối.

Nghiên cứu về các quy trình sản xuất tiên tiến vẫn đang được tiến hành, nhằm tạo ra các bộ phận cần gia công tối thiểu sau đó.

Ứng dụng quan trọng

Sự kết hợp độc đáo giữa độ bền, khả năng chịu nhiệt và khả năng chống ăn mòn khiến Inconel 718 trở thành vật liệu lý tưởng cho các bộ phận đòi hỏi hiệu suất và độ tin cậy cao.

• Tua bin khí và hàng không vũ trụ: Đây là hợp kim chủ lực cho các thành phần của động cơ phản lực và tua bin khí trên đất liền. Bao gồm các bộ phận quan trọng như đĩa tua bin, cánh, trục, vỏ và ốc vít cường độ cao.

• Ngành công nghiệp dầu khí: Trong thiết bị giếng khoan và giếng dầu, Inconel 718 cung cấp độ bền và khả năng chống ăn mòn cần thiết để xử lý khí chua (H₂S) và môi trường áp suất cao.

• Hạt nhân và sản xuất điện: Độ bền và khả năng chống ăn mòn của nước làm cho nó thích hợp để chế tạo các bộ phận lõi lò phản ứng, thanh điều khiển, dụng cụ và các bộ phận máy phát hơi nước trong các nhà máy điện hạt nhân.

• Dụng cụ & Vật liệu đông lạnh: Hợp kim này cũng được sử dụng cho bu lông cường độ cao, bể chứa đông lạnh và các thành phần trong tên lửa, nơi nó vẫn duy trì các đặc tính tuyệt vời ở nhiệt độ cực thấp.

Kết luận: Một giải pháp được thiết kế

Thành phần Inconel 718 cho thấy thiết kế luyện kim tuyệt vời. Sự cân bằng cẩn thận của niken, crom, sắt và đặc biệt là niobi tạo ra một vật liệu đẩy mạnh ranh giới hiệu suất.

Khả năng được gia cường thông qua quá trình tôi luyện kết tủa cho phép nó mang lại sự kết hợp giữa độ bền kéo cao, khả năng chống biến dạng và khả năng hàn mà ít vật liệu nào có thể sánh được. Điều này làm cho nó trở nên thiết yếu đối với các ngành công nghiệp định nghĩa công nghệ hiện đại.

Mặc dù có mối liên hệ họ hàng với các hợp kim niken khác như Inconel 625 có khả năng chống ăn mòn cao, cơ chế gia cường độc đáo của Inconel 718 tạo ra vai trò thiết yếu của riêng nó. Đối với các kỹ sư và nhà thiết kế phải đối mặt với nhiệt độ khắc nghiệt và tải trọng cơ học cao, việc hiểu thành phần và tính chất của UNS N07718 không chỉ hữu ích mà còn là cơ bản.